《纳米技术与精密工程》  2016年5期 315-316   出版日期:2016-09-15   ISSN:1672-6030   CN:12-1351/O3
 微米纳米器件与材料专题述评


 半导体产业发展的初期(20世纪60年代),人们发现微米级别的元器件不但体积小,而且表现出比宏观尺寸器件更优良的电学和机械性能。这种新奇的现象引起了当时业界的兴趣,随后微米技术及其理念很快进入了半导体以外领域,与机械等传统学科相结合,产生了新的研究方向即微机电系统(MEMS)。在其发展初期,大批量的MEMS器件被应用在汽车行业,在安全气囊传感控制中迅速取得了成功。而后MEMS传感器被应用在其他许多领域,目前在智能手机、汽车、医疗、环境监控、质量监控以及国防等领域大量可见MEMS产品的身影。MEMS发展至今,已与半导体物理、机械学、电子工程、材料学等深度融合,正与化学、医学、生物等领域不断交叉,将为未来智能城市、智能家居、精准医疗、物联网等领域持续开拓更为宽广的空间。
20世纪80年代,扫描隧道显微镜的发明使观测纳米结构成为可能,从此开始了纳米技术的新纪元。研究人员发现当物质的几何尺寸降低到纳米级别时,其光、机、电、磁等性质表现得不同而且奇妙,因此诞生了各种新颖的技术。纳米材料便是纳米技术发展的产物之一,被广泛用于汽车、能源与环境、健康医疗等领域。二维纳米材料的发现尤其加速了纳米材料的影响力,2010年英国曼彻斯特大学的两位教授也因首先发现石墨烯而获得诺贝尔物理学奖。天然的二维结构使其被用于制作晶体管时不像硅材料需要“切”得非常小,因此可能解决传统晶体管尺寸缩小带来的诸多物理问题。同时,随着半导体工艺能力的不断提升,电子器件也已经步入了纳米时代,由此诞生了纳米技术发展的另一大产物——纳米器件。新型的纳米器件可能引发一场真正的革命,它可以创造出体积更小、质量更轻、速度更快和性能更好的材料、器件和系统,人们将纳米技术应用到各个领域以更好地解决目前的难题。
微米纳米技术不仅在实验室研究中取得成功,同时也开始了产业化并带来了令人瞩目的社会经济效益。随着材料制备与微米纳米加工技术的日趋完善和对于一系列微米纳米尺度科学问题的了解,微纳技术已经影响通讯、交通、医疗、能源、环境等产业的多个方面,并发挥了不可替代的作用。
近些年来,中国微纳技术研究进步迅速,其中天津大学微纳机电实验室也取得较有代表性的研究成果。实验室进行了微纳传感器的设计、制造、测试及应用等方面的研究,并针对电子通讯、医疗健康、环境污染、生命科学等领域急需解决的科学问题开展了大量的工作:如开发面向重大疾病早期诊疗的MEMS传感芯片,以实现对痕量重大疾病标志物的精确、高通量检测; 如利用体声波MEMS传感器件实现细胞水平的生化应用,以实现肿瘤细胞的药物释放及靶向治疗;如探索微流控系统操控生化分子及生物细胞的方法,以实现微纳尺度下的生化反应、细胞分离和检测;如研究多参数复合微纳传感系统,以实现多种生物分子和细胞信号的同时采集和分析;如开发危险气体及颗粒物的便携式体声波传感系统,以监测生活生产过程中遇到的环境污染问题等。
在该专辑中,天津大学微纳机电实验室的研究成果包括:在传感器研究方面,张乾坤等利用金作为种子层在光纤表面生长高品质的氧化锌纳米棒来制成新型的MEMS光学传感器;唐宁等则利用薄膜体声波谐振器构造传感阵列,通过记录不同物质在该阵列上生成的响应条形码,实现了对多种气体的识别和检测;张庆等基于场效应管原理制备了二硫化钼探测器。在执行器研究方面,崔巍巍等基于开放式数字微流控驱动器的基本原理,旨在提供器件改进的途径,提出了基于介质上电润湿技术的微流控驱动器件的性能评价与优化方法;汤子凡等则对MEMS器件在药物释放中的应用研究进展,主要包括微泵、微针阵列、微储药库以及微流控系统的制造、发展及应用情况进行了大量的研究,并阐述了MEMS器件在药物释放中存在的问题和面临的挑战,同时对未来的发展进行了展望。在微纳材料研究方面,冯志宏等通过引入甲基丙烯酸甲酯工艺层,解决了传统工艺中的石墨烯表面残留光刻胶的缺陷,从而大幅度改善了石墨烯晶体管的性能。
此外,其他一些院校和单位在以上几个方面也做出了较为突出的贡献。例如:在材料研究方面,北京大学的张宇导等对不同比例的硫化钼和硒化钼的导电性进行了对比研究,南开大学的苗智颖等利用L半胱氨酸法制备了银纳米线并对其电化学性能进行了研究,上海海洋大学的刘璇等对单壁碳纳米管与镍基底的超声纳米焊接及场发射性能进行了研究;在传感器方面,北方工业大学的盛伟光等利用BiFeO3纳米纤维制备了压电式压力传感器并研究了制造工艺,航天长征火箭技术有限公司的韩东祥设计了石英音叉谐振式温度敏感元件。
由于受篇幅限制,本专辑无法完全涵盖该领域的全部研究方向与研究进展,但基本上反映了一些主流研究与应用热点。感谢《纳米技术与精密工程》编辑部和审稿专家的辛勤工作,保证了本专辑能够按时完成。感谢国内外同行对本专辑的鼎力支持。最后,感谢各位读者,期望本专辑能够为微米纳米领域的学者们提供最新研究动态,并有所启迪,促进微米纳米学科领域研究工作的深入开展。